Agrégation sciences industrielles de l'ingénieur interne 2023, épreuve 2, option ingénierie électriqueSujet et rapport du jury

• -Texte du sujet, pages 2 à 27 ;
• -Documents techniques DT1 à DT11, pages 28 à 39 ;
• -Documents réponses DR1 à DR6, pages 40 à 45, à rendre avec la copie.

• -de rédiger les réponses aux différentes parties sur des feuilles de copie séparées et clairement repérées ;
• -de numéroter chaque feuille de copie et indiquer le numéro de la question traitée ;
• -d'utiliser exclusivement les notations indiquées dans le sujet lors de la rédaction des réponses ;
• -de justifier clairement les réponses ;
• -d'encadrer ou souligner les résultats ;
• -de présenter lisiblement les applications numériques, sans omettre les unités, après avoir explicité les expressions littérales des calculs ;
• -de formuler les hypothèses nécessaires à la résolution des problèmes posés si celles-ci ne sont pas indiquées dans le sujet.

INFORMATION AUX CANDIDATS

• -Concours interne de l'Agrégation de l'enseignement public :

• -Concours interne du CAER / Agrégation de l'enseignement privé :

Station d'épuration pour les petites collectivités

Présentation de la station d'épuration

figure 1. Diagramme simplifié des cas d'utilisations

figure 2. Station d'épuration à boues activées (source ADEME)

figure 3. Implantation du site

• -les prétraitements consistent en un traitement physique des effluents afin de protéger les organes électromécaniques et les ouvrages situés en aval. Ils se composent de trois étapes distinctes installées en série : un dégrillage, un dessablage et un dégraissage qui fournissent chacun un sous-produit spécifique appelé refus de dégrillage, sables et graisses. Le procédé est basé uniquement sur le tamisage fin des eaux usées brutes (séparation solide/liquide) ;
• -les traitements biologiques (azote, phosphore) réalisent l'épuration biologique des eaux et provoquent le développement d'une culture bactérienne libre. Elle prend la forme de flocons dans un bassin brassé, aéré et alimenté en eau à épurer. L'aération réalisée à partir de l'oxygène de l'air a pour but de dissoudre cet oxygène dans l'eau et de répondre ainsi aux besoins des bactéries épuratrices aérobies (terme qui s'applique à un organisme vivant qui a besoin d'oxygène pour vivre). La figure 4 résume le traitement.

figure 4. Transformations des éléments après les traitements

figure 5. Schéma de la filière à boues activées

Étude proposée

• -Partie A : Vérification du dimensionnement hydraulique de la station
• -Partie B : Étude de l'apport d'oxygène nécessaire au bassin d'aération
• -Partie C : Recirculation des boues dans la station
• -Partie D : Système de communication
• -Partie E : Synthèse

Partie A : Vérification du dimensionnement hydraulique de la station

• -vérifier le dimensionnement du poste de relèvement permettant d'acheminer les eaux usées vers la station d'épuration ;
• -valider les dimensions du bassin d'aération, cœur du système à boues activées.

figure 6. Diagramme des exigences pour la station en 2040 (REQ01)

A-1 : Poste de relèvement des eaux

• - n : nombre de démarrages par heure de la pompe ;
• - N : nombre de pompes actives présentes.

A-2 : Bassin d'aération

• -la demande biochimique en oxygène (DBO) qui correspond à la quantité de dioxygène nécessaire aux micro-organismes aérobies de l'eau pour oxyder les matières organiques, dissoutes ou en suspension dans l'eau. Il s'agit donc d'une consommation potentielle de dioxygène par voie biologique. Ce paramètre constitue un bon indicateur de la teneur en matières organiques biodégradables d'une eau (en kg ⋅ j^(− 1) ) ;
• -les matières volatiles en suspension (MVS) qui représentent la fraction organique des matières en suspension dans le bassin d'aération en g ⋅ l^(− 1).

Partie B : Étude de l'apport d'oxygène nécessaire au bassin d'aération

figure 8. Turbine

figure 9. Moto-réducteur

figure 10. Modèle équivalent du moteur asynchrone pour une phase

Question 8

Question 9

Question 10

Question 11

Question 12

Question 13

Citer un inconvénient que peut engendrer le démarrage direct d'une turbine.
Afin de limiter le courant de démarrage, un démarreur progressif Altistart 22 de marque Schneider Electric est installé. Le circuit de puissance est basé sur un gradateur triphasé (figure 11).
figure 11 . Circuit de puissance du gradateur

figure 12. Schéma du gradateur pour un enroulement

Question 14

Question 15

Question 16

Partie C : Recirculation des boues dans la station

• -maintenir une concentration de la biomasse suffisante dans le réacteur biologique en y ramenant des boues plus concentrées ;
• -optimiser le temps de séjour des boues dans le clarificateur ;
• -gérer la hauteur du lit de boues présent dans le clarificateur afin de ne pas gêner la clarification libre des matières en suspension (MES), minimisant ainsi les fuites en MES dans l'effluent rejeté.

Dans un premier temps il est envisagé une régulation du débit massique des boues. Le principe de la régulation mise en place est représenté par la figure 13.

figure 14. Diagramme des exigences pour la régulation de débit par vanne

Question 17

Question 18

figure 15. Schéma bloc de la régulation de débit

figure 16. Diagramme de Bode (gain et phase) du système corrigé en boucle ouverte

Question 19

figure 17. Réponse indicielle de l'asservissement avec un correcteur proportionnel de gain K_p

Question 20

Question 21

Question 22

figure 18. Poste de recirculation

La zone de contact

Question 23

figure 19. Structure interne de la partie puissance du variateur

figure 20. Ensemble redresseur en entrée du variateur

Question 26

• -un variateur ATV212 1,5 kW Schneider Electric ;
• -un variateur FC301 1,5 kW Danfoss.

Question 27

Partie D : Système de communication

• -vérifier que la communication des données soit assurée pour récupérer les valeurs des capteurs et les traiter et assurer une supervision du système, y compris à distance ;
• -valider les choix faits pour assurer la sécurité du réseau informatique et des données qui vont y circuler.

D-1 : Infrastructure du réseau

• -optimiser les coûts d'exploitation ;
• -préserver la qualité et la continuité du service.

figure 22. Diagramme des exigences de la communication réseau

figure 23. Extrait de la topologie du réseau

Question 28

• -un sous-réseau administratif qui contiendra le PC de supervision local ;
• -un sous-réseau technique qui contient les autres éléments nécessaires au pilotage de la station.

Question 30

Question 31

figure 25. Topologie du réseau avec accès distant

Question 32

Question 33

D-2 : Gestion des données

figure 26. Diagramme des exigences de l'oxygénation et potentiel redox

• -les mesures analogiques acquises en permanence :
  • -débitmètres de la station d'épuration,
  • -mesure de l'oxygène dissous et du potentiel redox dans le bassin d'aération,
  • -mesure de consommation électrique de l'aération.
• -les entrées manuelles saisies au clavier du PC :
  • -seuils de consigne de mesure (redox, O_2, etc.),
  • -temporisations paramétrables (temps de marche, etc.).
• -les données relatives à la maintenance et aux caractéristiques des équipements des fournisseurs ;
• -les entrées TOR ainsi que les mesures acquises par le ou les automate(s) de la station et transmises au superviseur en temps réel.

Récupération des données d'oxygénation

figure 27. Chaine d'acquisition du capteur d'oxygénation
( U_(AB), Vo et Us sont ici considérées comme des constantes)

figure 28. Schéma interne de l'amplificateur INA122

Question 36

figure 29. Schéma de principe d'un soustracteur

figure 30 . Schéma de principe d'un amplificateur

D-3 : Transmission vers l'automate

• -lecture dans l'automate des différentes valeurs ;
• -remise à 0 de ces valeurs.

1 Frame 353: 66 bytes on wire (528 bits), 66 bytes captured (528 bits) on interface wlp2s0, id 0
' Ethernet II, Src: AzureWav_05:de:f9 (80:c5:f2:05:de:f9), Dst: Shenzhen_0d:2a:90 (84:39:be:6d:2a:90)
} Internet Protocol Version 4, Src: 192.168.1., Dst: 192.168.1. 
p Transmission Control Protocol, Src Port: 45686, Dst Port: 502, Seq: 1, Ack: 1, Len: 12
- Modbus/TCP
    Transaction Identifier: 1
    Protocol Identifier: 0
    Length: 6
    Unit Identifier: 1
- Modbus
    .000 0110 = Function Code: Write Single Register (6)
    Reference Number: 40004
    Data: 0000

Question 40

Question 41

figure 33. Extrait du diagramme de classe de l'application de communication

Question 42

class Supervisor
{
    public :
        Supervisor(string, uint16_t) ;
        // ...
    private :
        ModbusTCP * modbus ;
        // ...
};

• -marche (pour une aération normale, et tant que T2 n'est pas atteint) ;
• -marche forcée (tant que T1 n'est pas atteint) ;
• -arrêt (pour un arrêt normal, et tant que T4 n'est pas atteint) ;
• -arrêt forcé (tant que T3 n'est pas atteint).

Question 46

Partie E : Synthèse

Question 47

Documents techniques

DT1 caractéristiques en entrée de la station

Poste de relèvement

DT2 caractéristiques du bassin d'aération

DT5-1 variateur ATV212

Courant en entrée du variateur par phase

Analyse des harmoniques en entrée du variateur par phase

DT5-2 variateur FC301

Courant en entrée du variateur par phase

Analyse des harmoniques en entrée du variateur par phase

DT6 extrait de la norme 61000-3-2

Tableau 2 - Limites pour les apparells de classe C

DT7 extrait de la liste OUI - IEEE

DT8 modes Transport et Tunnel dans IPsec

• -En mode Transport, l'en-tête extérieur détermine la stratégie IPsec qui protège le paquet IP interne.
• -En mode Tunnel, le paquet IP interne détermine la stratégie IPsec qui protège son contenu.

DT9-1 protocole modbus

DT9-2 protocole modbus TCP

• -Transaction ID (2 octets): utilisé pour le pairage de transaction, le serveur Modbus copie l'identifiant de transaction de la requête dans la réponse.
• -Protocol ID (2 octets) : utilisé pour le multiplexage de systèmes internes. Le protocole Modbus est identifié par la valeur 0.
• -Length (2 octets): le nombre d'octets des champs suivants, y compris les champs de l'identifiant de l'unité, du code fonction et des données.
• -Unit ID (1 octet) : numéro d'esclave utilisé à des fins de routage du système interne. Il est généralement utilisé pour communiquer avec un Modbus ou une ligne série Modbus esclave via une passerelle entre un réseau TCP/IP Ethernet et une ligne série Modbus. Ce champ est défini par le client Modbus dans la requête et doit être renvoyé avec la même valeur dans la réponse par le serveur.
• -FCode (1 octet) : le code fonction correspond à l'échange souhaité.

• → Demande :

  N° esclave	3 ou 4	Adresse premier mot	Nombre de mots	CRC
  1 octet	1 octet	2 octets	2 octets	2 octets

• → Réponse :

  N° esclave	3 ou 4	Nombre d'octets lus	Valeur du premier mot	Valeur du dernier mot	CRC
  1 octet	1 octet	2 octets	2 octets	2 octets	2 octets

DT10 coder et instancier une classe en C++

//Déclaration de la classe A
class A
{
public:
    A(); // constructeur
    ~A(); // destructeur
    // Méthodes spécifiques à la classe
    void Methode(void);
    // getter/setter
    int get_attribut(void){ return _attribut; }
    void set_attribut(int attribut) { _attribut=attribut; }
private:
    // attributs
    int _attribut;
};

DT11 régulation de l'aération par l'automate

Extrait de la documentation permettant la régulation de l'aération.

Figure III.3.- Chaîne d'automatisation par asservissement ou régulation

Exemple de réglage possible pour gérer l'asservissement de l'aération :

Figure III. 7 . - Exemple de sélection du mode d'asservissement de l'aération. Réglages des temporisations de sécurité

Tous les documents réponses sont à rendre, même non complétés.

DR1 calcul de la demande en oxygène

DR2 tracés de la tension v_L(θ) et du courant i(θ) avec θ = ω ⋅ t

Question 15

i(θ)

DR3 (1/2) réponse indicielle y (t)

Question 22

Tous les documents réponses sont à rendre, même non complétés.

DR4 allures de u_(red)(θ) et i_(L1)(θ) avec θ = ω ⋅ t

DR5 (1/2) harmoniques du courant i_(L1)

DR5 (2/2) forme des courants i_(red)(θ) et i_(L1)(θ)

DR6 communication modbus